一种基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法

：本发明提供了一种基于激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法，采用声激励法，可用于实现被测结构模态频率、模态振型的的无损和准确识别。

背景技术

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背景技术：

1、模态是指结构系统所固有的振动特性，包括模态频率、模态振型等参数，主要与结构的材料属性、结构尺寸以及安装方式有关。而实验模态分析就是通过实验的方式来获取结构的模态参数，进而用于分析和评估结构的性能。在工程实践中，实验模态分析是一种十分重要的结构动力学分析手段，在结构动态设计、性能评估以及故障诊断中发挥重要作用。尤其对于精密机械结构而言，由于加工误差使制造出的产品与设计结果存在偏差，因此实验模态分析对生产质量监测和控制非常重要，已经成为精密机械结构生产、使用过程中必不可少的关键环节。

2、激光多普勒技术作为一种非接触测量方式，通常采用光学干涉方法，通过测量干涉光频率差的方式来获取多普勒频移，进而实现加速度、速度和位移信号的测量，这种方法可以达到皮米(pm)或更好的测量分辦率。若采用平面光波照明、面阵探测器进行信号采集，进一步将面阵探测器各像素点看作点探测器并对各个像素点采集的时序信号进行解调，进而可以实现面振动信号的同步测量。

3、另外，声波具有非破坏性，无需接触被测目标，是一种无损、非接触的振动激励方式。将该激励方式与激光多普勒面振动检测方式结合，可以实现无损、非接触式的振动激励和模态检测。该方法具有同步面振动激励和检测的特点，对于模态振型参数测量具有一定的优势，可以作为精密机械结构件实验模态分析中的振动检测手段。因此，本发明将声激励方法与激光多普勒面振动检测方法结合实现精密机械结构实验模态分析。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的是提供一种基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法。激光多普勒面振动检测方法是一种无损、非接触式检测手段，将声激励方法与激光多普勒面振动检测方法结合实现精密机械结构的高精度、面型实验模态分析，解决现有实验模态分析方法的不足。该方法可以应用在精密机械结构的性能分析、损伤检测等领域。本发明的实验模态分析方法包含三个基本环节，即振动激励、振动检测和模态参数识别。

2、上述目的通过以下技术方案实现：

3、针对精密机械结构对模态参数的无损检测需求，提出了一种基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法。结合声波激励和激光多普勒面振动测量，实现精密机械结构如悬臂梁结构的模态频率、模态振型的准确识别，为其加工质量评估及损伤检测提供依据。

4、其特征在于：

5、(1)振动激励方法上采用声激励方法，声波不具有破坏性、也无需接触被测目标，是一种无损、非接触的激励方式。声激励方法通常是以电信号的方式进行控制，像激振器一样在较大的频率范围内进行振动激振，同时具有良好的重复性。对于尺寸小、质量轻的精密机械结构，由于，声波产生的激振力足以产生振动响应信号，其不会造成结构损伤。

6、所述振动激励装置所采用的声激励装置为扬声器，单元尺寸约10cm，以保证其发出的声场覆盖整个被测结构使各测量点位置得到充分激励，频率响应范围为50hz～20khz。

7、(2)振动检测上，采用激光多普勒面振动测量系统记录干涉图像并对振动响应信号进行解调，其中激光多普勒面振动测量系统采用光学干涉方法，通过测量干涉光频率差的方式来获取多普勒频移，进而实现加速度、速度和位移信号的测量。

8、(3)模态试验操作过程主要分为以下两个具体步骤：

9、第一步为模态频率的识别。该过程采用高斯白噪声声波对被测物进行激励，由激光多普勒面振动测量系统记录干涉图像并对振动响应信号进行解调，最后通过频谱分析获得模态频率信息。

10、所述的被测物在该频谱范围内都存在振动响应信号，并且在模态频率位置具有较大的振动幅度响应，经傅里叶变换后模态频率位置会出现明显的峰值点，可以通过定位峰值点实现模态频率的识别。通过避开节点位置的个别测量点的振动响应信号的频谱分析即可实现模态频率的识别。

11、所述频谱分析使用快速傅里叶变换对振动响应信号的频率信息进行分析，获得的频谱图。从图中通过测量点的峰值点读取出当前频率值，即为所测结构的多阶模态频率。

12、第二步为模态振型的识别。在所述第一步模态频率识别基础之上，采用与模态频率同频的单频声波对被测物再次施加激励，由激光多普勒面振动测量系统记录干涉图像，再对干涉图像中各像素点振动信号进行解调。

13、所述对干涉图像中各像素点振动信号进行解调的方法是反正切解调法。

14、所述反正切解调法中，各像素点同一时刻的振幅分布即为该时刻的振动面型，其中振动幅度最大位置的振动面型即为模态振型结果。

15、本发明的优点在于：

16、(1)对于尺寸及质量比较小的结构，声激励方法能够使被测物充分激振，即激励源发出的声场能覆盖整个被测结构。

17、(2)声波产生的激振力较小，对尺寸小、质量轻的精密器件可以产生足够大的振动响应信号，并且能够避免造成的结构损伤。

18、(3)结合了激光多普勒面振动测量方法，可以实现模态参数的准确识别。

19、(4)本发明是一种无损的实验模态分析方法，将声激励方式与激光多普勒面振动方法结合，借助声学激励和光学检测的远距离、非接触特点，在振动激励和振动检测两个环节都达到了无损条件。

技术特征：

1.一种基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法，其特征在于：结合声激励可用于实现被测结构模态频率、模态振型的的无损和准确识别。

2.根据权利要求1所述的基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法，其特征在于振动激励上采用声激励方法，以电信号的方式进行控制，可以像激振器一样在较大的频率范围内进行激振。

3.根据权利要求1所述的基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法，其特征在于振动检测上采用激光多普勒面振动测量系统记录干涉图像并对振动响应信号进行解调，其中激光多普勒面振动测量系统采用光学干涉方法，通过测量干涉光频率差的方式来获取多普勒频移，进而实现加速度、速度和位移信号的测量。

4.根据权利要求1所述的基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法，其特征在于：模态频率的识别具体步骤如下：

技术总结
本发明提供了一种基于主动声激励和激光多普勒面振动测量的实验模态分析方法。本发明的实验模态分析方法包含三个基本环节，即振动激励、振动检测和模态参数识别。振动激励方法采用声激励方法，振动检测上，采用激光多普勒面振动测量系统记录干涉图像并对振动响应信号进行解调。本发明的模态参数识别包括模态频率和模态振型识别。本发明结合声波激励和激光多普勒面振动测量，可以直接获得被测物的面振动参数，进而分析被测物的实验模态，实现精密机械结构如悬臂梁结构的模态频率、模态振型的准确识别，为其加工质量评估及损伤检测提供依据。

技术研发人员：潘锋,肖文,邓鹏,柳希瑜
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13